激光相变硬化的分析与讨论

激光相变硬化1激光相变理论1.1激光相变与普通淬火的区别根据钢的淬火原理，将钢用固体加热至临界温度Ac3或Ac1以上的一定温度(50100)，在该温度下保持一定时间后，以临界速度以上的速度冷却，得到马氏体(或下贝氏体)的热处理工艺称为淬火。 将钢加热至奥氏体相变临界温度(Ac3或Ac1 )以上，得到奥氏体组织，保温的目的是使组织充分奥氏体化，以超过临界淬火速度的冷却速度得到马氏体组织。 与常规淬火相比，激光淬火升温速度快，无保温过程，不能达到平衡的组织状态。理想的淬火冷却过程如图2的曲线2所示，在650以上为了尽量降低淬火热应力而必须缓慢冷却的650400之间迅速冷却，使过冷却奥氏体通过最不稳定的区域，不发生珠光体或贝氏体相变。 在400以下的Ms点附近的温度区域，为了尽量减少马氏体相变时产生的组织应力，必须缓慢冷却。 由此，可以在得到马氏体组织的条件下减少淬火应力，使工件不发生变形或裂纹。 激光淬火冷却的特征是，停止加热瞬间的温度达到最高，然后以104105/s的冷却速度进行冷却，淬火介质远远大于盐水或碱水溶液的最大冷却速度(2000/s和2830/s )，从冷却速度和时间的关系来看，激光淬火冷却曲线比钢的理想淬火冷却曲线靠左侧图1激光淬火工艺曲线与常规淬火的比较图3是铁碳合金相图热力学上接近平衡的组织状态和温度与合金成分的关系。 图2-激光淬火冷却曲线2-钢的理想淬火曲线通过缓慢的加热速度升温，可以使钢奥氏体化，达到接近平衡的程度。 奥氏体是通过生成核和生长而生成的，碳化物的溶解和奥氏体晶粒的生长受扩散过程的支配。激光加热中，如果加热速度足够高(超过400500/s )，钢铁中的铁素体相在某临界温度(约900)下发生马氏体系相变的逆转相变，与其成分相同的奥氏体相在剪切相变下瞬间生成，即遵循非扩散型相变规则【9】。 奥氏体形成动力学表明，随着钢中奥氏体温度的增加，奥氏体的形核率和生长速度增加，激光快速加热条件下奥氏体的形核极高。1.2激光相变硬化的特点1 )激光相变硬化主要应用于表面处理，与其他表面处理方法相比，具有以下特点(1)激光束能量密度高，工件表面加热快，冷却快，淬火层马氏体细，硬度比常规淬火高5%-20%。(2)只加热工件表层的少量金属，能量消耗少，几乎不发生热变形，工件变形极小。 可省去矫正和精研等工序，精密部件局部表面淬火容易。(3)内孔和槽的侧面和底部的淬火和复杂的工件表面的局部淬火是可能的，但其他方法很难解决。(4)聚焦光束的焦点深度相当大，允许工件表面有相当大的凹凸，容易进行花键轴和齿轮的淬火。(5)硬化深度和面积可以精密控制。(6)激光淬火除薄外，一般可自冷淬火，无油、水等淬火剂，无害。(7)工艺简单，淬火时间短，可在生产线内配置淬火工序。2 )激光淬火的缺点(1)据报道，硬化深度受到限制，一般在1mm以下，目前的开发研究在加大深度方面首次见效，达到3mm。(2)由于金属对波长10.6m的激光的反射率高，为了增大对激光的吸收率，需要进行表面涂层和其他预处理。双激光相变硬化温度场理论利用高能激光处理和应用金属表面已有20多年的历史。 激光表面改性可以提高材料的一定寿命。 所有铸铁、中碳钢、工具钢均可激光硬化，提高耐磨性和耐腐蚀性。 用激光扫描工件时，零件表面极薄的材料吸收放射能，形成热源。 该热源向部件基体进行热传导，产生内部各点的温度从低到高的热循环。 随着火炬的移动，部件内部的垂直于扫描速度方向的各截面依次经过热循环。 高斯能量方程式【4】:图3铁碳合金相图其中，t是温度，是热扩散系数，qr是每单位时间部件体积输入的热能，是部件的热传导系数，t是时间。M. F.A sh by，k.e.eastterling于1984年研究了激光加工热影响区的温度，提出了激光束中心下部温度变化的数学模型【7】。 利用该模型可以理论计算激光固化层的深度，为激光相变研究奠定理论基础。T0是部件最初的温度，a是部件的表面吸收率，p是激光功率，a是扩散系数(a=A/c)，是材料密度，c是比热，r是激光束半径，t0 (t0=r2/4a )是扩散到半激光波段所需的时间。 激光能量密度是W=(Aq/s)t，其中s=d2/4，s是激光区面积，t=d/v是激光作用时间，d是激光束直径，v是扫描速度。 其中-一热扩散系数一般不是固定值，而是依赖于激光涂层、激光扫描速度、激光功率、加工材料化学成分等。 根据该公式，可计算激光束中心下部不同深度的温度。 连续加热和冷却速度可以用上式求出时间上式大括号内的第一项表示加热速度，第二项表示冷却速度。 设材料表面反射率为r时，表面吸收率A=(1-R ) . a是测量传递到表面被复层和材料的激光能量的重要参数，决定在激光硬化过程中引起相变的临界热量。 a一般不是常数，而是依赖于表面被复层的类型、激光功率、扫描速度和被硬化材料的化学成分。 决定了a的值后，可以决定激光硬化层的深度，同时也可以计算激光输入的放射能【8】:式中，s=d2/4激光处理区域面积、t=d/v-激光作用材料表面时间、d-激光光束直径、v-扫描速度. (AP/s )激光处理表面能量密度。 当使用矩形光束时，输入能量密度可以写为：式中d1和d2分别是激光束的宽度和长度。 矩形点激光输入的辐射能量可通过下式计算：式中b一矩形光点的扫描速度方向的长度、v一扫描速度. 为了快速计算硬化层的深度，吴刚等人采用非稳态热源解法，快速估算激光淬火时的内部热循环过程和硬化层的深度xd的近似式【9】:式中，对应于q一激光功率密度、a-扩散系数、k一热传导率、v一扫描速度、b一扫描长度、Ac1=TAc1-T-相变界限温度上升.用K.- K.Yoon，W .-B.Kim，S. -J.Na，有限元法分析激光加工表面产生的热流动、热应力和热变形。 热传导问题的有限元方程可写为【5】:式中，C为热传导矩阵，K为刚性矩阵，F为热载荷向量，T为节点温度向量。 有限元模型允许激光束下的网格变细，从而使远离激光束的网格变粗。3影响激光固化效果的因素一般而言，激光的表面相变硬化的指标是硬化深度、硬化宽度、硬度。 具有组织遗传性的钢，硬化指标有高温下奥氏体的结晶粒度和分布。影响上述固化指标的参数主要为：(1)激光的输出功率和部件表面的吸收率。(2)确定光点尺寸、硬化宽度的大小。 当确定聚焦透镜时，调整聚焦量(所谓的散焦量)，改变光点尺寸。 当散焦量确定时，光点的大小也确定。(3)扫描速度(激光淬火激光束相对于工件的速度)。(4)金属材料的热物性，例如热传导率、热扩散率等。(5)材料的化学成分。(6)材料的原始热处理状态和组织状态。工艺参数也可以使用热循环参数来显示其影响。 在一定工艺参数的激光热源的作用下，正在移动的工件上的所有点都升温，达到最高温度，经历了降温的过程(保温阶段极短，可以忽略)，称为热循环。 相变硬化区各点的热循环参数为：加热速度、最高加热温度、保温时间、冷却速度。3.1加热温度热处理工人阐明了Fe-Fe3C状态图和常规热处理相变过程的基本原理。 进行激光淬火时，材料的状态图仍然是重要的理论依据。 根据状态图决定材料的加热温度范围。 但是，在激光这样的快速加热条件下，A1、A3和ACm线远大于通常加热的上移幅度，且材料在更高的温度下几乎不出现明显的晶粒生长现象，即不会因过热而使其后的淬火组织性能劣化。因此，能够扩大激光固体相变的加热温度范围。 在奥氏体区域加热温度范围越宽的钢，激光表面的固体相变硬化处理的温度控制越容易，工艺参数的实施也越容易，处理的硬化层深度也可以更大。 据文献报道，碳钢的激光固体相变硬化加热温度范围优选为9001200。 此时，零件表面的粗糙度不变。 部件的淬火层在最表面的1200到深度的900的深度范围内，加热温度大大超过通常的淬火温度，但由于加热时间极短，晶粒不能生长(出现组织遗传现象时例外)。3.2加热速度激光在几秒到千分之几秒以下的时间内，部件表面附近的加热部位的温度可以迅速上升到1000以上，加热到高温后，由于保温时间极短，加热条件与通常的加热方法有很大的不同。在共析钢中，钢以通常的加热速度被加热到AC1以上时，会变成奥氏体。 奥氏体的形成是通过形核和生长过程实现的，其基本过程是：1 )奥氏体核形成于铁素体和渗碳体相界面2 )奥氏体的生长3 )继续溶解残留渗碳体4 )奥氏体的均匀化过程。 亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本类似，但只增加了过相的转移和溶解特征。3.3冷却速度图2是等温冷却相变c曲线(TTT图)和连续冷却相变c曲线(CCT图)的综合图。 其中abc曲线为过冷奥氏体在珠光体休和贝氏体等温相变的开始线，Ms为马氏体相变的开始线，abc为奥氏体在珠光体体积贝氏体等温相变的结束线。 abc线以左及Ms线以上为过冷却奥氏体区(育成区)，奥氏体从A1温度以上急速冷却至Ms点以下的等温，与abc线相遇时不能成为珠光体或贝氏体，只能成为马氏体。 在连续冷却条件下，过冷却度大，因此过冷却奥氏体的育成期变长，为c线图4 C曲线向右移动形状变化，中温相变部分消失，如曲线updw所示(称为CCT曲线)，因此在实际淬火的情况下，除非冷却速度与updw曲线相遇，否则奥氏体全部相变为马氏体，当冷却速度曲线与updw线正好相接时，该冷却速度为马氏体要得到全马氏体，冷却速度必须大于马氏体相变的临界速度。通常淬火时水淬火冷却速度约为600/S . 激光加热淬火由于功率密度高、加热时间短，计算表明，激光淬火的冷却速度达到每秒数千度以上，比通常热处理的最大冷却速度高一位数。 因此，用激光加热工件便于自淬火。4激光淬火表面预处理金属材料表面的激光辐照能量吸收能力主要取决于表面状态。 一般金属材料表面经机械加工，表面粗糙度小，反射率达8090%，影响金属材料表面的光能吸收效率。 为了提高激光在金属表面的吸收效率，在激光硬化之前进行表面前处理。 表面预处理的方法很多，有磷化法、提高表面粗糙度、氧化法、喷涂法、电镀法等，其中最常用的有以下几种1 )黑色涂料法将碳墨水或石墨-粘合剂混合物涂布在部件表面形成吸收膜后，吸收率达到90%左右，对材料有一定的增碳作用。 该方法可用于任何材料，也可局部复盖，但涂层厚度难以控制，激光照射时产生眩光和烟雾，效果不太稳定。 零件表面涂黑色油漆，涂层吸收率接近碳涂料，涂层附着力强。 涂布容易，厚度均匀。 但是，照射激光会产生烟雾和气味，不清楚。近年来，美国品牌Krylonl602的黑漆被广泛使用，其主要成分为石粉和硅酸钠或硅酸钾，采用喷雾法，厚度为1020m。 国内上海光机所开发出86-l型黑漆，供应国内市场。2 )磷化工艺图5磷化成膜激光处理后的与工件的作用示意图磷化处理分为高温磷化成(9098)中温磷化成(5570)和室温磷化成(约25) . 激光处理过程中，不同材料的激光处理工艺不同，三种磷化工艺的表面前处理层(磷化成膜)对激光的吸收率各不相同，高中温度磷化的效果被认为更好。 缺点：工艺复杂，设备投资大，废水处理费用高(污染)，激光处理后粗糙度大。磷酸盐处理在工件表面形成磷酸盐：磷酸锰、磷酸锌等，其中磷酸锰最多。 之后，磷酸盐膜被激光处理后，工件表面的晶界出现微细的图案，认为磷酸锰膜被激光处理后生成的低熔点化合物沿着铁基合金晶界被挖掘到几个晶粒的深度，如图5所示，近年来磷酸盐的预处理取代了其他的方法3 )喷涂(刷)涂料的方法涂料多种多样，而且开发出新的配方和新产品。 吸收率大部分达80%98%以上，完全满足激光淬火的要求。 使用方法简单，操作方便，采用涂装方法应用于大规模生产，微量临时加工和试验均可手工涂装，无需增加成套设备。图54种光点图形和参数扩张类型线状光点a方形光点b矩形光点c聚光点d2b=20mm2l=1mm光点尺寸2b=20mm2l=20mmb=20mml=2mmD=5mm5激光相变硬化的发展概况5.1激光相变硬化光束的优化用于激光表面强化的静态光束斑可被分成四种典型的斑点，如图5中所示。 其中，a型光点近似表示线光点，b型光点近似表示组合积分镜产生的宽大光点，c型光点近似表示积分镜产生的小矩形光点，d型光点近似表示聚焦法产生的散焦光点。 上述光点尺寸与实际略有不同，除d型光板外，一般的尺寸是固定的，不容易调整。目前我国生产的激光功率在万瓦以下，用于激光表面强化的CO2激光多为2-5KW，适合使用产生线状光斑a、小矩形光斑c或聚光光斑d的光束成形装置。 其中，聚光透镜和反射聚光透镜是产生聚光点装置，其特征容易调整，使用方便，缺点是光点内的光强度不均匀，散焦量越大，光强度不均匀越严重，而且单遍处理的加工效率低，不满足工件的宽带处理的需要国产的小矩形复合集成镜用于生产，与聚光点相比，光强度的均匀性、加工效率大